레지스트 하층막 조성물 및 이를 이용한 패턴 형성 방법Resist Underlayer Film Composition and Pattern Forming Method Using the Same
본 발명은 레지스트 하층막 조성물 및 이를 이용한 패턴 형성 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 열적 안정성 및 에칭 저항성이 우수할 뿐만 아니라, 갭필(gap fill)시 평탄화도 및 보이드 억제 특성이 우수한 레지스트 하층막 조성물 및 이를 이용한 패턴 형성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a resist underlayer film composition and a pattern forming method using the same, and more particularly, to a resist underlayer film having excellent thermal stability and etching resistance as well as excellent flatness and void suppression properties during gap fill. It relates to a composition and a pattern forming method using the same.
최근 대규모 직접 회로(large scale integrated circuit: LSI)의 고집적화 및 고속도화에 수반하여, 반도체 패턴이 더욱 미세화되고 있으며, 현재 범용 기술로서 사용되고 있는 광 노광을 이용한 리소그래피(lithography)에서는, 광원의 파장에 유래하는 본질적인 해상도의 한계에 근접하고 있다. 레지스트 패턴 형성에 사용되는 리소그래피용 광원으로는, 수은 램프를 이용하는 g-선(line)(436nm), i-선(365nm)이 널리 사용되었으며, 패턴의 미세화를 위하여, 최근에는 KrF 익사이머 레이저(excimer laser)(248nm), ArF 익사이머 레이저(193nm) 등의 단파장의 광원을 사용하여 리소그래피 공정을 수행하고 있다.In recent years, with the high integration and high speed of large scale integrated circuits (LSI), semiconductor patterns have become more fine, and in lithography using light exposure, which is currently used as a general-purpose technology, it is derived from the wavelength of a light source. Is approaching the limit of inherent resolution. As a light source for lithography used to form a resist pattern, g-line (436 nm) and i-line (365 nm) using a mercury lamp have been widely used. Recently, in order to refine the pattern, KrF excimer laser ( A lithography process is performed using short wavelength light sources such as an excimer laser (248 nm) and an ArF excimer laser (193 nm).
또한, 반도체 디바이스의 소형화 및 집적화에 수반하여, 패턴의 크기가 작아짐에 따라, 포토레지스트 패턴의 쓰러짐 현상을 방지하기 위해 포토레지스트 막 및 패턴의 두께가 점차 얇아지고 있다. 그러나, 얇아진 포토레지스트 패턴을 사용하여 피식각층을 식각(에치(etch))하기 어렵기 때문에, 포토레지스트와 피식각층 사이에 식각 내성이 강한 무기물막 또는 유기물막을 도입하게 되었고, 이 막을 하층막 또는 하드마스크라 칭하며, 포토레지스트 패턴을 이용하여 하층막을 식각하여 패터닝한 후, 하층막의 패턴을 이용하여 피식각층을 식각하는 공정을 하층막 공정이라고 하기도 한다. 상기 하층막 공정에 이용되는 무기물 하층막은 실리콘 나이트라이드, 실리콘 옥시나이트라이드, 폴리실리콘, 티타늄 나이트라이드, 무정형 탄소 (amorphous carbon) 등으로 이루어지며, 통상적으로 화학증기증착(chemical vapor deposition: CVD)법으로 형성된다. 상기 화학증기증착법에 의해 생성된 하층막은 식각 선택성이나 식각 내성이 우수하지만, 파티클(particle) 문제, 초기 설비 투자비 문제 등의 몇 가지 문제점이 있다. 이를 해결하기 위한 방법으로, 상기 증착식 하층막 대신에, 스핀 도포가 가능한 유기물 하층막이 연구되고 있다. In addition, with the miniaturization and integration of semiconductor devices, as the size of the pattern becomes smaller, the thickness of the photoresist film and the pattern is gradually thinner in order to prevent the photoresist pattern from falling down. However, since it is difficult to etch (etch) the layer to be etched using the thinned photoresist pattern, an inorganic or organic layer having strong etching resistance is introduced between the photoresist and the layer to be etched, and the layer is formed as an underlayer or hard layer. It is called a mask, and the process of etching and patterning an underlayer film using a photoresist pattern, and also etching a to-be-etched layer using the pattern of an underlayer film is called an underlayer film process. The inorganic underlayer film used in the underlayer film process is made of silicon nitride, silicon oxynitride, polysilicon, titanium nitride, amorphous carbon, and the like, and is typically a chemical vapor deposition (CVD) method. Is formed. Although the underlayer film produced by the chemical vapor deposition method is excellent in etching selectivity and etching resistance, there are some problems such as particle problems and initial equipment investment costs. As a method for solving this problem, instead of the deposition type underlayer film, an organic underlayer film capable of spin coating has been studied.
상기 유기물 하층막을 포함하는 다층막 레지스트는 통상적으로 2층막 구조(2층 레지스트법) 또는 3층막 구조(3층 레지스트법)를 가진다. 2층막 구조의 레지스트의 경우, 상층막은 패턴의 구현이 가능한 포토레지스트 막이며, 레지스트 하층막은 산소 가스(gas)에 의한 에칭 공정(etching process)이 가능한 탄화수소 화합물이다. 상기 레지스트 하층막은, 그 아래의 기판을 에칭(etching)하는 경우, 하드 마스크(hard mask)의 역할을 해야 하므로 높은 에칭(etching) 저항성을 가져야 하고, 산소 가스 에칭을 위해서는 규소 원자를 포함하지 않은 탄화수소만으로 구성될 필요가 있다. 또한, 상기 레지스트 하층막이 코팅되는 웨이퍼는 단순히 평평한 표면을 가지는 웨이퍼 뿐만 아니라, 경우에 따라, 반도체 패턴이 형성된 웨이퍼일 수 있다. 이와 같이 형성되는 반도체 패턴의 선폭과 높이는 약 수십 내지 수백 나노미터 이므로, 상기 패턴에 코팅되는 레지스트 하층막 물질은 높은 단차를 가지는 패턴과 패턴의 사이에 효과적으로 채워질 수 있도록 갭필(gap fill) 특성이 요구된다. 이와 같은 에칭 저항성, 갭필 특성과 함께, 상기 레지스트 하층막은, KrF 및 ArF 광원 사용 시, 상층 레지스트막의 스탠딩 웨이브(standing wave) 제어 및 패턴의 무너짐 현상을 방지하기 위하여, 광원의 난반사 방지막의 기능도 가질 필요가 있다. 구체적으로는 하층막으로부터 레지스트 상층막으로의 반사율을 1% 이하로 억제할 필요가 있다.The multilayer film resist including the organic underlayer film usually has a two-layer film structure (two-layer resist method) or a three-layer film structure (three-layer resist method). In the case of a resist having a two-layer film structure, the upper layer film is a photoresist film capable of realizing a pattern, and the resist lower layer film is a hydrocarbon compound capable of an etching process by oxygen gas. The resist underlayer film should have a high etching resistance because it should act as a hard mask when etching the substrate below it, and hydrocarbons containing no silicon atoms for oxygen gas etching. It needs to be composed only. In addition, the wafer on which the resist underlayer film is coated may be not only a wafer having a flat surface, but also a wafer on which a semiconductor pattern is formed in some cases. Since the line width and height of the semiconductor pattern formed as described above are about several tens to hundreds of nanometers, the resist underlayer material coated on the pattern requires a gap fill property so as to be effectively filled between the pattern having a high step and the pattern. do. In addition to such etching resistance and gap fill characteristics, the resist underlayer film also has a function of an antireflection film of the light source in order to prevent standing wave control and pattern collapse of the upper resist film when KrF and ArF light sources are used. There is a need. Specifically, it is necessary to suppress the reflectance from the lower layer film to the resist upper layer film to 1% or less.
또한, 3층막 구조의 레지스트인 경우, 상층막(포토레지스트막)과 레지스트 하층막(탄화수소 화합물로 이루어진 제1 하층막) 사이에 무기 하드 마스크 중간층막(무기물로 이루어진 제2 하층막)이 더욱 형성된다. 상기 제2 하층막으로는 고온에서의 화학증기증착법으로 형성되는 규소 산화막(실리콘 옥사이드막), 규소 질화막(실리콘 나이트라이드막), 규소 산화질화막(실리콘 옥시나이트라이드막, SiON막) 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 반사 방지막으로서의 효과가 높은 SiON막을 사용할 수 있다. 상기 제2 하층막의 막 두께는 5 내지 200 nm, 바람직하게는 10 내지 100 nm이다. 상기 레지스트 하층막(제1 하층막) 위에 제2 하층막(특히, SiON막)을 형성하기 위해서는 기판의 온도를 240 내지 500℃로 올려야 하기 때문에, 사용되는 레지스트 하층막(제1 하층막)은 240도 내지 500℃에서 열적 안정성을 가져야 한다. 상기 레지스트 하층막이 고온(예를 들어, 400℃ 이상)에서 열적 안정성을 갖지 못할 경우, 무기 하드 마스크 중간층막(제2 하층막) 형성 시, 레지스트 하층막이 분해되어 장비 내부를 오염시킬 우려가 있다.In the case of a resist having a three-layer film structure, an inorganic hard mask intermediate layer film (second lower layer film made of inorganic material) is further formed between the upper layer film (photoresist film) and the resist underlayer film (first lower layer film made of a hydrocarbon compound). do. As the second underlayer film, a silicon oxide film (silicon oxide film), a silicon nitride film (silicon nitride film), a silicon oxynitride film (silicon oxynitride film, a SiON film), or the like formed by chemical vapor deposition at a high temperature may be used. Preferably, a SiON film having a high effect as an antireflection film can be used. The film thickness of the second underlayer film is 5 to 200 nm, preferably 10 to 100 nm. In order to form a second underlayer film (particularly, a SiON film) on the resist underlayer film (first underlayer film), the temperature of the substrate must be raised to 240 to 500 ° C. Thus, the resist underlayer film (first underlayer film) used is It should have thermal stability at 240 degrees to 500 ° C. If the resist underlayer film does not have thermal stability at a high temperature (for example, 400 ° C. or more), there is a fear that the resist underlayer film is decomposed to contaminate the inside of the equipment when the inorganic hard mask interlayer film (second underlayer film) is formed.
따라서, 본 발명의 목적은 고온(예를 들면, 400℃ 이상)에서의 열적 안정성 및 에칭 저항성이 우수한 레지스트 하층막을 형성할 수 있는 레지스트 하층막 조성물 및 이를 이용한 패턴 형성 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a resist underlayer film composition capable of forming a resist underlayer film excellent in thermal stability and etching resistance at high temperature (for example, 400 ° C. or higher) and a pattern forming method using the same.
본 발명의 다른 목적은, 갭필(gap fill) 특성이 우수한 레지스트 하층막 조성물 및 이를 이용한 패턴 형성 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a resist underlayer film composition having excellent gap fill characteristics and a pattern forming method using the same.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 방향족 고리 함유 고분자, 하기 화학식 4로 표시되는 화합물, 및 유기 용매를 포함하는 레지스트 하층막 조성물을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a resist underlayer film composition comprising an aromatic ring-containing polymer comprising a repeating unit represented by the following formula (1), a compound represented by the following formula (4), and an organic solvent.
[화학식 1] [Formula 1]
상기 화학식 1에서, R1은 탄소수 5 내지 20의 단일환형 또는 다환형의 방향족 탄화수소기이고, R2 및 R3는 각각 독립적으로, 탄소수 4 내지 14의 단일환형 또는 다환형의 방향족 탄화수소기이고, a는 1 내지 3의 정수이고, b는 0 내지 2의 정수이다;In Formula 1, R 1 is a monocyclic or polycyclic aromatic hydrocarbon group having 5 to 20 carbon atoms, R 2 and R 3 are each independently a monocyclic or polycyclic aromatic hydrocarbon group having 4 to 14 carbon atoms, a is an integer from 1 to 3 and b is an integer from 0 to 2;
[화학식 4][Formula 4]
상기 화학식 4에서, n은 1 내지 250 의 정수, 바람직하게는 2 내지 150의 정수, 더욱 바람직하게는 10 내지 100의 정수이다.In Chemical Formula 4, n is an integer of 1 to 250, preferably an integer of 2 to 150, more preferably an integer of 10 to 100.
또한, 본 발명은, 에칭되는 기판의 상부에, 상기 레지스트 하층막 조성물을 이용하여 레지스트 하층막을 형성하는 단계; 상기 레지스트 하층막 상부에 포토레지스트층을 형성하는 단계; 상기 포토레지스트층을 소정 패턴으로 방사선에 노출시킴으로써 상기 포토레지스트층에 방사선 노출된 영역의 패턴을 생성하는 단계; 상기 패턴을 따라, 상기 포토레지스트층 및 레지스트 하층막을 선택적으로 제거하여, 상기 패턴의 형태로 상기 기판을 노출시키는 단계; 및 상기 기판의 노출된 부분을 에칭하는 단계를 포함하는 패턴 형성 방법을 제공한다.In addition, the present invention, forming a resist underlayer film on the substrate to be etched using the resist underlayer film composition; Forming a photoresist layer on the resist underlayer film; Generating a pattern of radiation-exposed regions of the photoresist layer by exposing the photoresist layer to radiation in a predetermined pattern; Selectively removing the photoresist layer and the resist underlayer film along the pattern to expose the substrate in the form of the pattern; And etching the exposed portion of the substrate.
본 발명에 따라 형성된 레지스트 하층막은, 하드마스크 형성 시 요구되는 고온(예를 들면, 400℃ 이상) 열적 안정성이 우수하며, 높이 단차를 가지는 패턴의 상부에 코팅 시, 갭필 특성이 우수하여 보이드(void) 형성을 억제하고, 막질의 평탄화 정도가 우수하며, 막 형성 시, 유기반사방지막으로서의 성능을 가질 수 있다. 또한, 본 발명에 따라 형성된 레지스트 하층막은, 에칭 저항성이 우수하여, 드라이 에칭공정 시 일정한 패턴의 모양을 형성하기 위한 보호막(하드마스크) 역할을 하며, 레지스트 막질의 에칭 속도를 빠르게 하거나 늦출수록 마스크의 손실을 최소화 할 수 있고, 하부막질의 식각량(에칭량)을 증가시킬 수 있다. 이러한, 하부막질의 우수한 갭필 특성과 에칭량의 증가는 에칭 패턴의 깊이를 보다 깊게 함으로써, 반도체 칩(chip) 형성 시 보다 용이하게 상부 막(layer)와 하부 막(layer)간의 층간 간격을 넓힐 수 있다. 따라서, 반도체 생산공정에 유용하다.The resist underlayer film formed according to the present invention is excellent in high temperature (eg, 400 ° C. or higher) thermal stability required when forming a hard mask, and when coated on top of a pattern having a height step, void gap characteristics are excellent. ), Suppression of formation, excellent leveling of film quality, and can have performance as an organic antireflection film during film formation. In addition, the resist underlayer film formed according to the present invention is excellent in etching resistance, and serves as a protective film (hard mask) for forming a pattern of a predetermined pattern during the dry etching process, and the faster or slower the etching speed of the resist film, The loss can be minimized and the etching amount (etching amount) of the lower layer can be increased. The excellent gap fill characteristics of the lower layer and the increase in the etching amount can increase the depth of the etching pattern, thereby making it easier to widen the interlayer gap between the upper layer and the lower layer when forming a semiconductor chip. have. Therefore, it is useful for semiconductor production processes.
도 1 및 2는 각각 비교예 4-1에서 형성된 레지스트 하층막과 실시예 4-10에서 형성된 레지스트 하층막의 FE-SEM 단면 사진을 보여주는 도면.1 and 2 show FE-SEM cross-sectional photographs of the resist underlayer film formed in Comparative Example 4-1 and the resist underlayer film formed in Example 4-10, respectively.
이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 레지스트 하층막 조성물은, 실리콘 웨이퍼 등의 기판 위에 스핀 코팅(spin coating, spin on carbon) 등의 방법으로 하층막을 형성하기 위한 것으로서, 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 방향족 고리 함유 고분자, 하기 화학식 4로 표시되는 화합물 및 유기 용매를 포함한다. The resist underlayer film composition according to the present invention is for forming an underlayer film on a substrate such as a silicon wafer by spin coating (spin coating, spin on carbon) or the like, and an aromatic ring including a repeating unit represented by the following Chemical Formula 1 It contains a polymer, a compound represented by following formula (4), and an organic solvent.
상기 화학식 1에서, R1은 탄소수 5 내지 20의 단일환형 또는 다환형의 방향족 탄화수소기이고, 예를 들면, R1 고리는 벤젠 링(ring), 나프탈렌 링, 비페닐 링, 안트라센 링, 페난트렌 링, 트리페닐 링, 파이렌 링, 비나프탈렌 링 등의 방향족 고리를 나타내고, R2 및 R3는 각각 독립적으로, 탄소수 4 내지 14의 단일환형 또는 다환형의 방향족 탄화수소기이고, 예를 들면, R2 및 R3 고리는 각각 독립적으로, 벤젠 링(ring), 나프탈렌 링, 안트라센 링 등의 방향족 고리를 나타낸다. a는 R1에 치환된 히드록시기(-OH)의 개수로서, 1 내지 3의 정수이고, b는 0 내지 2의 정수이다. 또한, 필요에 따라, 상기 R1, R2 및 R3는 할로겐 원자, 히드록시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 탄소수 1 내지 6의 저급 알킬기 등으로 더욱 치환되어 있을 수 있다.In Formula 1, R 1 is a monocyclic or polycyclic aromatic hydrocarbon group having 5 to 20 carbon atoms, for example, R 1 ring is a benzene ring, naphthalene ring, biphenyl ring, anthracene ring, phenanthrene Aromatic rings such as a ring, a triphenyl ring, a pyrene ring, a binaphthalene ring, and the like, and R 2 and R 3 are each independently a monocyclic or polycyclic aromatic hydrocarbon group having 4 to 14 carbon atoms, for example, The R 2 and R 3 rings each independently represent an aromatic ring such as a benzene ring, a naphthalene ring, an anthracene ring and the like. a is the number of hydroxy groups (-OH) substituted with R 1 , an integer of 1 to 3, and b is an integer of 0 to 2. In addition, as needed, R 1 , R 2 and R 3 may be further substituted with a halogen atom, a hydroxyl group, a nitro group, a cyano group, an amino group, a lower alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and the like.
상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 방향족 고리 함유 고분자는 고분자의 주쇄(back bone)에 에틸렌기(-CH2-)가 없는 것으로서, 상기 방향족 고리 함유 고분자의 대표적인 예로는, 하기 화학식 1a 내지 1m으로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자를 예시할 수 있다.The aromatic ring-containing polymer including the repeating unit represented by Chemical Formula 1 has no ethylene group (-CH 2- ) in the backbone of the polymer, and representative examples of the aromatic ring-containing polymer include the following Chemical Formulas 1a to The polymer containing the repeating unit represented by 1m can be illustrated.
[화학식 1a][Formula 1a]
[화학식 1b][Formula 1b]
[화학식 1c][Formula 1c]
[화학식 1d][Formula 1d]
[화학식 1e] [Formula 1e]
[화학식 1f][Formula 1f]
[화학식 1g][Formula 1g]
[화학식 1h][Formula 1h]
[화학식 1i]Formula 1i]
[화학식 1j][Formula 1j]
[화학식 1k][Formula 1k]
[화학식 1l][Formula 1l]
[화학식 1m][Formula 1m]
상기 방향족 고리 함유 고분자는, 예를 들면, 하기 반응식 1에 나타낸 바와 같이, 하기 화학식 2(Formula 2)로 표시되는 모노머(케톤기를 포함하는 환형 화합물)와 하기 화학식 3(Formula 3)으로 표시되는 모노머(페놀 유도체 화합물)를 산 촉매(acid catalyst)의 존재 하에, 용매(solvent) 중에서 반응(가열)시켜 제조할 수 있으며, 하기 제조예에 따라 제조할 수 있다.The aromatic ring-containing polymer, for example, as shown in Scheme 1 below, a monomer (cyclic compound containing a ketone group) represented by the formula (Formula 2) and a monomer represented by the formula (Formula 3) The (phenol derivative compound) can be produced by reacting (heating) in a solvent in the presence of an acid catalyst, and can be prepared according to the following preparation example.
[반응식 1]Scheme 1
상기 반응식 1에서, R1, R2 및 R3, a 및 b는 상기 화학식 1에서 정의한 바와 같다.In Scheme 1, R 1 , R 2 and R 3 , a and b are the same as defined in Formula 1.
상기 화학식 2(Formula 2)로 표시되는 모노머의 대표적인 예로는,
등을 예시할 수 있고, 상기 화학식 3(Formula 3)으로 표시되는 모노머의 대적인 예로는,
등을 예시할 수 있다.Representative examples of the monomer represented by the formula (Formula 2), And the like, and as an example of the monomer represented by Formula 3 (Formula 3), Etc. can be illustrated.
상기 방향족 고리 함유 고분자의 제조(반응식 1)에서, 상기 화학식 3으로 표시되는 모노머의 함량은, 상기 화학식 2로 표시되는 모노머에 대하여, 0.5 내지 4배(몰비), 바람직하게는 1 내지 2배, 더욱 바람직하게는 1 내지 1.2배이다. 상기 화학식 3으로 표시되는 모노머의 함량이 상기 화학식 2로 표시되는 모노머에 대하여, 4배(몰비)를 초과하면, 하이드록시기를 포함하는 페놀 유도체 화합물(화학식 3으로 표시되는 모노머)의 비율이 높아 고분자 화합물을 형성하지 못할 우려가 있고, 0.5배(몰비) 미만이면, 상대적으로 케톤기를 포함하는 환형 화합물(화학식 2로 표시되는 모노머)의 비율이 높아 고분자 화합물의 수율이 떨어질 우려가 있다. 또한, 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 방향족 고리 함유 고분자는, 본 발명의 목적을 훼손하지 않는 한도 내에서, 소량의 다른 반복단위를 포함할 수도 있다.In the preparation of the aromatic ring-containing polymer (Scheme 1), the content of the monomer represented by Formula 3 is 0.5 to 4 times (molar ratio), preferably 1 to 2 times, relative to the monomer represented by Formula 2, More preferably, it is 1 to 1.2 times. When the content of the monomer represented by Formula 3 exceeds 4 times (molar ratio) with respect to the monomer represented by Formula 2, the ratio of the phenol derivative compound (monomer represented by Formula 3) containing a hydroxyl group is high. If the compound may not be formed, and if it is less than 0.5 times (molar ratio), the ratio of the cyclic compound (monomer represented by Formula 2) containing the ketone group is relatively high, so that the yield of the polymer compound may be lowered. In addition, the aromatic ring-containing polymer including the repeating unit represented by the formula (1) may include a small amount of other repeating units within the scope of not impairing the object of the present invention.
상기 방향족 고리 함유 고분자의 제조 시 사용되는 산 촉매로는, 통상적인 산 촉매, 예를 들면, 황산, 염산, 인산, 파라톨루엔설포닉산, 메틸 설포닉산, 옥살릭산, 초산, 이들의 혼합물 등의 유기산을 예시할 수 있다. 상기 산 촉매의 함량은 상기 화학식 2로 표시되는 모노머 100몰부에 대하여, 5 내지 100몰부, 바람직하게는 10 내지 50몰부, 더욱 바람직하게는 10 내지 20몰부이다. 상기 산 촉매의 함량이 상기 화학식 2로 표시되는 모노머 100몰부에 대하여, 5몰부 미만이면, 반응 진행 속도가 느려지고, 반응 시간이 많이 소요될 우려가 있고, 100몰부를 초과하면, 과다한 산의 사용으로 인하여 반응 종결시 중화과정에서 과량의 수산화나트륨의 사용과 이로 인한 중화시간이 많이 소요되게 될 우려가 있다. 상기 방향족 고리 함유 고분자의 제조 시 사용되는 용매로는, 상기 모노머 등을 녹일 수 있는 통상적인 유기용매를 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 톨루엔, 자일렌, 1,2,3,4-테트라하이드로나프탈렌(1,2,3,4-tetra hydronaphthalene: THN) 등의 유기용매를 사용할 수 있다.As an acid catalyst used in the production of the aromatic ring-containing polymer, conventional acid catalysts such as sulfuric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid, paratoluenesulphonic acid, methyl sulfonic acid, oxalic acid, acetic acid, and mixtures thereof Can be illustrated. The content of the acid catalyst is 5 to 100 mol parts, preferably 10 to 50 mol parts, and more preferably 10 to 20 mol parts with respect to 100 mol parts of the monomer represented by the formula (2). When the content of the acid catalyst is less than 5 mol parts with respect to 100 mol parts of the monomer represented by Formula 2, the reaction progress rate may be slow, and a large amount of reaction time may be required. At the end of the reaction, there is a concern that the use of excess sodium hydroxide in the neutralization process and the neutralization time due to this may take a long time. As a solvent used in the preparation of the aromatic ring-containing polymer, a conventional organic solvent capable of dissolving the monomers can be used without particular limitation, and preferably toluene, xylene, 1,2,3,4-tetra Organic solvents such as hydronaphthalene (1,2,3,4-tetra hydronaphthalene (THN)) can be used.
또한, 상기 방향족 고리 함유 고분자의 제조 시, 상기 산 촉매와 함께 머캡토티올(mercaptothiol) 유도체를 더욱 사용할 수 있다. 상기 머캡토티올 유도체는 반응의 활성화 에너지를 낮추어 줌으로써, 축합반응에서 케톤기를 포함하는 환형 화합물과 페놀 유도체 화합물간의 입체장애가 발생하여도 중합반응의 진행이 가능하도록 하는 촉매이다. 상기 머캡토티올 유도체로는 2- 머캡토에탄올 (2-mercaptoethanol), 2-머캡토프로판올 (2-mercaptopropanol), 3-머캡토프로판올 (3-mercaptopropanol), 4-머캡토부탄올 (4-mercaptobutanol), 이들의 혼합물 등을 예시할 수 있다. 상기 머캡토티올 유도체를 사용 시, 상기 머캡토티올 유도체의 함량은 상기 산 촉매 100몰부에 대하여, 50 내지 100몰부, 바람직하게는 60 내지 90몰부이다. 상기 머캡토티올 유도체의 함량이 상기 산 촉매 100몰부에 대하여, 50몰부 미만이면, 고분자의 합성이 원활하게 이루어지지 않을 우려가 있고, 100몰부를 초과하여도 반응 속도나 수율 측면에서 특별한 장점이 없다. In addition, when preparing the aromatic ring-containing polymer, a mercaptothiol derivative may be further used together with the acid catalyst. The mercaptothiol derivative is a catalyst that lowers the activation energy of the reaction, thereby allowing the polymerization reaction to proceed even if a steric hindrance between the cyclic compound containing the ketone group and the phenol derivative compound occurs in the condensation reaction. The mercaptothiol derivatives include 2-mercaptoethanol, 2-mercaptopropanol, 2-mercaptopropanol, 3-mercaptopropanol, and 4-mercaptobutanol. , Mixtures thereof and the like can be exemplified. When using the mercaptothiol derivative, the content of the mercaptothiol derivative is 50 to 100 moles, preferably 60 to 90 moles with respect to 100 moles of the acid catalyst. When the content of the mercaptothiol derivative is less than 50 mol parts with respect to 100 mol parts of the acid catalyst, there is a fear that the synthesis of the polymer may not be performed smoothly, and even if it exceeds 100 mol parts, there is no particular advantage in terms of reaction rate or yield. .
상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 방향족 고리 함유 고분자의 중량평균분자량(Mw)은, 예를 들면, 200 내지 50,000, 바람직하게는 400 내지 10,000, 더욱 바람직하게는 500 내지 8,000이다. 상기 방향족 고리 함유 고분자의 중량평균분자량이 200 미만이면, 레지스트 하층막 형성이 어려워질 우려가 있고, 50,000을 초과하면, 고분자가 용매에 용해되지 않아 레지스트 하층막 조성물을 제조하지 못할 우려가 있다.The weight average molecular weight (Mw) of the aromatic ring-containing polymer including the repeating unit represented by Formula 1 is, for example, 200 to 50,000, preferably 400 to 10,000, more preferably 500 to 8,000. If the weight average molecular weight of the aromatic ring-containing polymer is less than 200, the formation of a resist underlayer film may be difficult. If the weight average molecular weight is more than 50,000, the polymer may not be dissolved in a solvent and the resist underlayer film composition may not be prepared.
상기 화학식 4에서, n은 1 내지 250의 정수, 바람직하게는 2 내지 150의 정수, 더욱 바람직하게는 10 내지 100의 정수이다. 상기 화학식 4로 표시되는 화합물의 중량평균분자량(Mw)은, 예를 들면, 200 내지 30,000, 바람직하게는 300 내지 20,000, 더욱 바람직하게는 500 내지 10,000이다. 상기 화학식 4로 표시되는 화합물의 중량평균분자량이 너무 작으면, 레지스트 내의 단분자성 화합물의 비율이 높아 코팅시 코팅면이 불량하거나, 고온 가열 공정 시 아웃가스의 발생량이 증가할 우려가 있고, 중량평균분자량이 너무 크면, 고분자가 사용하고자 하는 용매에 녹지 않으며, 조성물을 이용하여 코팅시 단차가 발생할 우려가 있다. In Formula 4, n is an integer of 1 to 250, preferably an integer of 2 to 150, more preferably an integer of 10 to 100. The weight average molecular weight (Mw) of the compound represented by Formula 4 is, for example, 200 to 30,000, preferably 300 to 20,000, more preferably 500 to 10,000. If the weight average molecular weight of the compound represented by the formula (4) is too small, the ratio of the monomolecular compound in the resist is high, the coating surface is poor during coating, or the amount of outgas generated during the high temperature heating process may increase, the weight If the average molecular weight is too large, the polymer is insoluble in the solvent to be used, there is a fear that a step occurs when coating using the composition.
상기 화학식 4로 표시되는 화합물은, 본 발명에 따른 레지스트 하층막 조성물이 실리콘 웨이퍼 등의 기판에 스핀 코팅(spin coating, spin on carbon)되는 경우에 있어서, 갭필(gap fill) 특성을 향상시키기 위한 첨가제(평탄화제)의 역할을 한다. 상기 화학식 4로 표시되는 화합물(첨가제)은 단분자 화합물이거나, 고분자 화합물일 수 있으며, 바람직하게는 고분자 화합물이다. 상기 화학식 4로 표시되는 화합물로는, 상용화된 노블락 계열 고분자(예를 들면, 메이와사 (일본, MEIWA) MER-시리즈 등)를 예시할 수 있다. The compound represented by Formula 4 is an additive for improving the gap fill property when the resist underlayer film composition according to the present invention is spin coated on a substrate such as a silicon wafer. It acts as a leveling agent. The compound (additive) represented by the formula (4) may be a monomolecular compound or a high molecular compound, preferably a high molecular compound. As the compound represented by the formula (4), a commercially available noblock-based polymer (for example, Meiwa Corporation (MEIWA) MER-series, etc.) may be exemplified.
본 발명에 사용되는 유기용매는, 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 방향족 고리 함유 고분자, 상기 화학식 4로 표시되는 고분자에 대한 용해성을 가지는 통상의 하층막용 유기용매를 사용할 수 있으며, 예를 들면, 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트(propylene glycol monomethylether acetate: PGMEA), 프로필렌글리콜모노메틸에테르(propyleneglycol monomethyl ether: PGME), 사이클로헥산온(cyclohexanone: CH), 에틸락테이트(ethyl lactate: EL), 감마부티로락톤(gamma-butyrolactone: GBL), 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다.As the organic solvent used in the present invention, an aromatic ring-containing polymer including a repeating unit represented by the formula (1), a conventional organic solvent for an underlayer film having solubility to the polymer represented by the formula (4) may be used. For example, propylene glycol monomethylether acetate (PGMEA), propyleneglycol monomethyl ether (PGME), cyclohexanone (CH), ethyl lactate (EL), gamma Butyrolactone (gamma-butyrolactone (GBL)), mixtures thereof and the like can be used.
본 발명의 레지스트 하층막 조성물에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 방향족 고리 함유 고분자의 함량은 1 내지 25중량%, 바람직하게는 3 내지 20중량%, 더욱 바람직하게는 4 내지 16중량%이다. 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 방향족 고리 함유 고분자의 함량이 1중량% 미만이면, 하층막이 형성되지 않을 우려가 있고, 25중량%를 초과하면, 코팅 시 레지스트 막질이 불량해질 우려가 있다. 또한, 상기 화학식 4로 표시되는 화합물의 함량(사용량)은, 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 방향족 고리 함유 고분자 100 중량부에 대하여 30 내지 150 중량부, 바람직하게는 50 내지 140 중량부, 보다 바람직하게는 70 내지 110 중량부 이다. 상기 화학식 4로 표시되는 화합물의 사용량이, 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 방향족 고리 함유 고분자 100 중량부에 대하여, 30 중량부 미만이면, 높은 단차를 가지는 패턴 위에, 본 발명의 레지스트 하층막 조성물을 코팅할 경우, 갭필 특성이 불량하여, 패턴 내부에 보이드(void)가 형성되거나, 단차가 커질 우려가 있으며, 150 중량부를 초과하면, 레지스트 하층막의 고온 열적 안정성이 저하될 우려가 있으며, 에칭 공정 시, 에칭 저항성이 저하될 우려가 있다. 상기 유기용매의 함량은 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 방향족 고리 함유 고분자, 상기 화학식 4로 표시되는 화합물 등의 고형분을 제외한 나머지이다.In the resist underlayer film composition of the present invention, the content of the aromatic ring-containing polymer including the repeating unit represented by Chemical Formula 1 is 1 to 25% by weight, preferably 3 to 20% by weight, more preferably 4 to 16%. Weight percent. If the content of the aromatic ring-containing polymer including the repeating unit represented by the formula (1) is less than 1% by weight, there is a fear that the lower layer film may not be formed, and if it exceeds 25% by weight, the resist film quality may be poor during coating. . In addition, the content (usage) of the compound represented by Formula 4 is 30 to 150 parts by weight, preferably 50 to 140 parts by weight, based on 100 parts by weight of the aromatic ring-containing polymer including the repeating unit represented by Formula 1. More preferably, it is 70-110 weight part. If the amount of the compound represented by the formula (4) is less than 30 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the aromatic ring-containing polymer including the repeating unit represented by the formula (1), the resist underlayer of the present invention is on the pattern having a high step When coating the film composition, gap gap characteristics are poor, voids may be formed inside the pattern, or there may be a large step, and if it exceeds 150 parts by weight, the high temperature thermal stability of the resist underlayer film may be deteriorated. At the time of an etching process, etching resistance may fall. The content of the organic solvent is the remainder except for the solid content of the aromatic ring-containing polymer including the repeating unit represented by the formula (1), the compound represented by the formula (4) and the like.
또한, 본 발명에 따른 레지스트 하층막 조성물은, 필요에 따라, 가교제, 계면활성제, 산발생제 등의 첨가제를 더욱 포함할 수 있다. 상기 가교제는 가교반응을 유도하여 하층막을 더욱 경화시키기 위한 것으로서, 멜라민 타입, 에폭시 타입 등의 통상적인 가교제를 사용할 수 있으며, 예를 들면, 상용화된 가교제로서, 산화케미칼사의 MX-270, MX-280, MX-390 및 2-{[4-(2-옥시라닐메톡시) 페녹시]메틸}옥시란 (2-{[4-(2-oxiranylmethoxy)phenoxy]methyl}oxirane) 등을 사용할 수 있다. 상기 가교제를 사용할 경우, 상기 가교제의 함량은 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 방향족 고리 함유 고분자 100 중량부에 대하여, 1 내지 20 중량부, 바람직하게는 3 내지 15 중량부이다. 상기 가교제의 함량이 상기 방향족 고리 함유 고분자 100중량부에 대하여, 1 중량부 미만이면, 가교제 첨가에 따른 충분한 가교율을 얻을 수 없고, 20 중량부를 초과하면, 레지스트의 안정성을 저하시킬 우려가 있다.Moreover, the resist underlayer film composition which concerns on this invention can further contain additives, such as a crosslinking agent, surfactant, an acid generator, as needed. The crosslinking agent is to induce a crosslinking reaction to further cure the underlayer film, and may use a conventional crosslinking agent such as melamine type and epoxy type. For example, as a commercially available crosslinking agent, MX-270, MX-280, which is a chemical crosslinking agent, may be used. , MX-390 and 2-{[4- (2-oxiranylmethoxy) phenoxy] methyl} oxirane (2-{[4- (2-oxiranylmethoxy) phenoxy] methyl} oxirane) and the like can be used. When using the crosslinking agent, the content of the crosslinking agent is 1 to 20 parts by weight, preferably 3 to 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the aromatic ring-containing polymer including the repeating unit represented by Chemical Formula 1. When the content of the crosslinking agent is less than 1 part by weight based on 100 parts by weight of the aromatic ring-containing polymer, a sufficient crosslinking rate may not be obtained due to the addition of the crosslinking agent. When the content of the crosslinking agent is more than 20 parts by weight, the stability of the resist may be lowered.
상기 산발생제는 고분자의 가교반응의 온도를 낮추고, 가교율을 향상시키기 위하여 첨가될 수 있다. 상기 산발생제로는 통상적인 광산발생제와 열산발생제를 사용할 수 있으며, 경우에 따라 산을 써도 무방하다. 바람직하게는 광산발생제보다 높은 온도에서 촉매로서의 효율이 우수한 열산발생제를 사용할 수 있으며, 예를 들면, 킹인더스트리사의 TAG-시리즈 등의 열산발생제를 사용할 수 있다. 상기 산발생제를 사용할 경우, 상기 산발생제의 사용량은 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 방향족 고리 함유 고분자 100 중량부에 대하여, 5 중량부 이하, 바람직하게는 1 내지 4 중량부이다. 상기 산발생제의 사용량이 상기 방향족 고리 함유 고분자 100 중량부에 대하여, 5 중량부를 초과하면, 레지스트의 안정성을 저하시킬 우려가 있다.The acid generator may be added to lower the temperature of the crosslinking reaction of the polymer and improve the crosslinking rate. As the acid generator, conventional photoacid generators and thermal acid generators may be used, and in some cases, an acid may be used. Preferably, a thermal acid generator having excellent efficiency as a catalyst at a higher temperature than the photoacid generator can be used. For example, a thermal acid generator such as TAG-series manufactured by King Industries can be used. When using the acid generator, the amount of the acid generator is 5 parts by weight or less, preferably 1 to 4 parts by weight based on 100 parts by weight of the aromatic ring-containing polymer including the repeating unit represented by the formula (1). . When the usage-amount of the said acid generator exceeds 5 weight part with respect to 100 weight part of said aromatic ring containing polymers, there exists a possibility that the stability of a resist may fall.
상기 계면활성제는 레지스트 하층막 형성 시, 고형분 함량의 증가에 따라 발생하는 코팅 불량을 개선하기 위해 사용할 수 있으며, 예를 들면, 상용화된 계면활성제인 에어프로덕트사의 설피놀 계열, DIC사의 F-시리즈(F-410, F-444, F-477, R-08, R-30 등) 등을 사용할 수 있다. 상기 계면활성제를 사용할 경우, 상기 계면활성제의 함량은 전체 레지스트 하층막 조성물 100 중량부에 대하여, 0.1 내지 1 중량부, 바람직하게는 0.2 내지 0.8 중량부이다. 상기 계면활성제의 함량이 전체 레지스트 하층막 조성물 100 중량부에 대하여, 1 중량부를 초과하면, 레지스트 막질이 불량해질 우려가 있다. 본 발명에 따른 레지스트 하층막 조성물은 상기 성분들을 통상의 방법으로 블렌딩하여 제조할 수 있다.The surfactant may be used to improve coating defects caused by an increase in solid content when forming a resist underlayer film. For example, a sulfinol-based, commercially available surfactant, and an F-series (DIC) F-410, F-444, F-477, R-08, R-30, etc.) can be used. When using the surfactant, the content of the surfactant is 0.1 to 1 parts by weight, preferably 0.2 to 0.8 parts by weight based on 100 parts by weight of the total resist underlayer film composition. When content of the said surfactant exceeds 1 weight part with respect to 100 weight part of whole resist underlayer film compositions, there exists a possibility that a resist film quality may become bad. The resist underlayer film composition according to the present invention can be prepared by blending the above components in a conventional manner.
또한, 본 발명은 상기 레지스트 하층막 조성물을 이용한 패턴 형성 방법을 제공한다. 구체적으로, 상기 패턴 형성 방법은, (a) 에칭되는 기판(예를 들면, 알루미늄층이 형성된 실리콘 웨이퍼)의 상부에, 본 발명에 따른 레지스트 하층막 조성물을 이용하여 레지스트 하층막을 형성하는 단계; (b) 상기 레지스트 하층막 상부에 포토레지스트층을 형성하는 단계; (c) 상기 포토레지스트층을 소정 패턴으로 방사선에 노출(exposure)시킴으로써 상기 포토레지스트층에 방사선 노출된 영역의 패턴을 생성하는 단계; (d) 상기 패턴을 따라, 상기 포토레지스트층 및 레지스트 하층막을 선택적으로 제거하여, 상기 패턴의 형태로 상기 기판을 노출시키는 단계; 및 (e) 상기 기판의 노출된 부분을 에칭하는 단계를 포함한다. 또한, 필요에 따라, 상기 (b) 단계 이전에, 상기 레지스트 하층막 상부에, 통상의 실리콘 함유 레지스트 하층막(무기물 하층막) 및/또는 반사방지막(bottom anti-refractive coating; BARC)을 더욱 형성시킬 수도 있다. In addition, the present invention provides a pattern forming method using the resist underlayer film composition. Specifically, the pattern forming method includes the steps of: (a) forming a resist underlayer film on the substrate to be etched (for example, a silicon wafer on which an aluminum layer is formed) using the resist underlayer film composition according to the present invention; (b) forming a photoresist layer on the resist underlayer film; (c) exposing the photoresist layer to radiation in a predetermined pattern to produce a pattern of radiation exposed regions in the photoresist layer; (d) selectively removing the photoresist layer and the resist underlayer film along the pattern to expose the substrate in the form of the pattern; And (e) etching the exposed portion of the substrate. Further, if necessary, before the step (b), a conventional silicon-containing resist underlayer (inorganic underlayer) and / or a bottom anti-refractive coating (BARC) is further formed on the resist underlayer. You can also
상기 레지스트 하층막을 형성하는 단계는, 본 발명에 따른 레지스트 하층막 조성물을 40 내지 600 nm의 두께로 기판 상부에 도포(스핀 코팅 등)하고, 240 내지 400 ℃, 바람직하게 350 내지 400 ℃의 온도에서, 예를 들면, 50 내지 180 초 동안 가열함으로써 수행될 수 있고, 이와 같이 형성된 레지스트 하층막의 두께는 대략 40 내지 550 nm이다. 여기서, 상기 가열 온도가 240 ℃ 미만이면, 가교율이 낮아져 레지스트의 에칭 저항성이 저하될 우려가 있고, 400 ℃를 초과하면 고분자가 열분해되어 장비 내부를 오염시킬 우려가 있다. 또한, 상기 포토레지스트막의 패턴 형성은 TMAH 현상액(developer)등의 통상적인 알칼리 수용액을 이용한 현상(develop)에 의하여 수행될 수 있고, 상기 하층막의 제거는 CHF3/CF4 혼합가스 등을 이용한 드라이 에칭에 의하여 수행될 수 있으며, 상기 기판의 에칭은 Cl2 또는 HBr 가스를 이용한 플라즈마 에칭에 의하여 수행될 수 있다. 여기서, 상기 레지스트 하층막의 두께, 가열 온도 및 시간, 에칭 방법 등은 상기 내용으로 한정되는 것이 아니라, 공정 조건에 따라 다양하게 변경될 수 있다.Forming the resist underlayer film, the resist underlayer film composition according to the invention is applied to the upper substrate (spin coating, etc.) to a thickness of 40 to 600 nm, and at a temperature of 240 to 400 ℃, preferably 350 to 400 ℃ , For example, by heating for 50 to 180 seconds, and the thickness of the resist underlayer film thus formed is approximately 40 to 550 nm. Here, if the heating temperature is less than 240 ℃, the crosslinking rate is lowered, there is a risk that the etching resistance of the resist is lowered, if it exceeds 400 ℃ there is a fear that the polymer is pyrolyzed to contaminate the inside of the equipment. In addition, the patterning of the photoresist film may be performed by a development using a conventional alkaline aqueous solution such as TMAH developer, and the removal of the underlayer film may be performed by dry etching using a CHF 3 / CF 4 mixed gas or the like. The substrate may be etched by plasma etching using Cl 2 or HBr gas. Here, the thickness of the resist underlayer film, the heating temperature and time, the etching method and the like are not limited to the above contents, and may be variously changed according to process conditions.
본 발명에 따라 형성된 레지스트 하층막은, 고분자에 방향족 고리(aromatic ring)를 함유하므로, 광반사를 최소화할 수 있어, 유기반사방지막으로서의 성능을 가질 수 있고, 단차가 있는 패턴에 대한 갭필 특성이 우수하여, 평탄한 표면을 구현할 수 있다. 또한, 본 발명에 따라 형성된 레지스트 하층막은, 드라이 에칭공정 시 일정한 패턴의 모양을 형성하기 위한 보호막(하드마스크) 역할을 하며, 레지스트 막질의 에칭 속도를 빠르게 하거나 늦출수록 마스크의 손실을 최소화 할 수 있고, 하부막질의 식각량(에칭량)을 증가시킬 수 있다. 이러한, 하부막질의 에칭량의 증가는 에칭 패턴의 깊이를 보다 깊게 함으로써, 반도체 칩(chip) 형성 시 보다 용이하게 상부 막(layer)와 하부 막(layer)간의 층간 간격을 넓힐 수 있다. 따라서, 반도체 생산공정에 유용하다.Since the resist underlayer film formed in accordance with the present invention contains an aromatic ring in the polymer, it is possible to minimize light reflection, to have the performance as an organic antireflection film, and to have excellent gap fill characteristics for a pattern having a step. A flat surface can be realized. In addition, the resist underlayer film formed according to the present invention serves as a protective film (hard mask) for forming a predetermined pattern during the dry etching process, and the loss of the mask can be minimized as the etching speed of the resist film is increased or decreased. , The etching amount (etching amount) of the lower layer can be increased. Such an increase in the etching amount of the lower layer quality can make the depth of the etching pattern deeper, thereby making it easier to widen the interlayer gap between the upper layer and the lower layer when forming a semiconductor chip. Therefore, it is useful for semiconductor production processes.
이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples. The following examples are intended to illustrate the invention, and the invention is not limited by the following examples.
[제조예 1] 화학식 1a로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자의 제조
Preparation Example 1 Preparation of a Polymer Containing a Repeating Unit Represented by Chemical Formula 1a
환류관이 설치된 3구 250 mL 플라스크에 9-플루오레논(9-fluorenone) 18.0 g (0.1 mol)을 넣고, 용매로서, 1,2,3,4-테트라하이드로나프탈렌(1,2,3,4-tetra hydronaphthalene: THN) 100 mL를 넣은 다음, 1-나프톨(1-naphtol) 15.8 g (0.11 mol)을 넣었다. 상기 반응기(플라스크)의 온도를 130 ℃까지 올린 후, 반응기에 3.2 g (0.03mol)의 3-머캡토프로판올을 넣고, 18 N 황산 3.4 g을 천천히 넣었다. 황산의 첨가가 끝난 후, 반응기의 온도를 150 ℃로 유지하며, 18시간 동안 반응시켰다. 반응 종료 후, 반응기의 온도를 상온으로 내리고, NaOH 2N 용액을 이용하여 반응용액의 pH를 7로 맞추어 준 후, 물층을 제거하고, 다시 반응기의 온도를 90℃까지 올려준 후, 뜨거운 물을 이용하여 반응용액을 3차례 세척하였다. 수세 후, 반응물의 온도를 다시 상온으로 내리고, 메탄올 1L에 천천히 적가하여 파우더 형태의 고분자를 침전시킨 다음, 이를 60℃ 진공오븐에서 6시간 동안 건조하여 상기 화학식 1a로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자 20.7g(수율 61%)을 얻었다. 겔투과크로마토그래피(Gel permeation chromatography: GPC)를 사용하여 합성된 고분자의 중량평균분자량(Mw) 및 다분산도(PD: Polydispersity)를 측정하였다(Mw=2,860, PD=3.21).18.0 g (0.1 mol) of 9-fluorenone was added to a three-neck 250 mL flask equipped with a reflux tube, and 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene (1,2,3,4) was used as a solvent. 100 mL of -tetra hydronaphthalene (THN) was added, followed by 15.8 g (0.11 mol) of 1-naphtol. After raising the temperature of the reactor (flask) to 130 ° C, 3.2 g (0.03 mol) of 3-mercaptopropanol was added to the reactor, and 3.4 g of 18 N sulfuric acid was slowly added thereto. After the addition of sulfuric acid, the temperature of the reactor was maintained at 150 ° C and reacted for 18 hours. After the reaction was completed, the temperature of the reactor was lowered to room temperature, the pH of the reaction solution was adjusted to 7 using NaOH 2N solution, the water layer was removed, and the temperature of the reactor was raised to 90 ° C., followed by using hot water. The reaction solution was washed three times. After washing with water, the temperature of the reactant was lowered to room temperature again, and slowly added dropwise to 1 L of methanol to precipitate a polymer in powder form, which was then dried for 6 hours in a vacuum oven at 60 ° C. to include a polymer comprising a repeating unit represented by Chemical Formula 1a. 20.7 g (61% yield) were obtained. The weight average molecular weight (Mw) and polydispersity (PD) of the synthesized polymer were measured by gel permeation chromatography (GPC) (Mw = 2,860, PD = 3.21).
[제조예 2] 화학식 1b로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자의 제조
Preparation Example 2 Preparation of Polymer Containing Repeating Unit Represented by Chemical Formula 1b
상기 1-나프톨(1-naphtol) 15.8g(0.11mol) 대신에, 1,5-디하이드록시나프탈렌 (1,5-dihydroxynaphthalene) 17.6g(0.11mol)을 사용한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 상기 화학식 1b로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자 24.2g을 얻었다(수율: 61%, Mw=3,420, PD=3.61).Production Example 1, except that 17.6 g (0.11 mol) of 1,5-dihydroxynaphthalene was used instead of 15.8 g (0.11 mol) of 1-naphtol. In the same manner as in the polymer 24.2g containing a repeating unit represented by the formula (1b) was obtained (yield: 61%, Mw = 3,420, PD = 3.61).
[제조예 3] 화학식 1c로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자의 제조
Preparation Example 3 Preparation of Polymer Containing Repeating Unit Represented by Chemical Formula 1c
상기 1-나프톨(1-naphtol) 15.8g(0.11mol) 대신에, 1,6-디하이드록시나프탈렌 (1,6-dihydroxynaphthalene) 17.6g(0.11mol)을 사용한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 상기 화학식 1c로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자 25.7g을 얻었다(수율: 72%, Mw=3,110, PD=4.26).Production Example 1, except that 17.6 g (0.11 mol) of 1,6-dihydroxynaphthalene was used instead of 15.8 g (0.11 mol) of 1-naphtol. 25.7 g of a polymer including a repeating unit represented by Chemical Formula 1c was obtained in the same manner as in (Yield: 72%, Mw = 3,110, PD = 4.26).
[제조예 4] 화학식 1d로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자의 제조
Preparation Example 4 Preparation of Polymer Containing Repeating Unit Represented by Chemical Formula 1d
상기 1-나프톨(1-naphtol) 15.8g(0.11mol) 대신에, 2,6-디하이드록시나프탈렌 (2,6-dihydroxynaphthalene) 17.6g(0.11mol)을 사용한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 상기 화학식 1d로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자 24.9g을 얻었다(수율: 70%, Mw=4,280, PD=5.11).Production Example 1, except that 17.6 g (0.11 mol) of 2,6-dihydroxynaphthalene was used instead of 15.8 g (0.11 mol) of 1-naphtol. In the same manner as in the polymer 24.9g containing a repeating unit represented by the formula (1d) was obtained (yield: 70%, Mw = 4,280, PD = 5.11).
[제조예 5] 화학식 1e로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자의 제조
Preparation Example 5 Preparation of Polymer Containing Repeating Unit Represented by Chemical Formula 1e
상기 1-나프톨(1-naphtol) 15.8g(0.11mol) 대신에, 9-하이드록시안트라센 (9-hydroxyanthracene) 21.3g(0.11mol)을 사용한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 상기 화학식 1e로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자 17.7g을 얻었다(수율: 45%, Mw=1,990, PD=2.26).In the same manner as in Preparation Example 1, except that 21.3 g (0.11 mol) of 9-hydroxyanthracene was used instead of 15.8 g (0.11 mol) of 1-naphtol. 17.7 g of a polymer including a repeating unit represented by Chemical Formula 1e was obtained (yield: 45%, Mw = 1,990, PD = 2.26).
[제조예 6] 화학식 1f로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자의 제조
Preparation Example 6 Preparation of Polymer Containing Repeating Unit Represented by Chemical Formula 1f
상기 1-나프톨(1-naphtol) 15.8g(0.11mol) 대신에, 9-페난트레놀 (9-phenanthrenol) 21.3g(0.11mol)을 사용한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 상기 화학식 1f로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자 18.9g을 얻었다(수율: 48%, Mw=2,150, PD=2.83).In the same manner as in Preparation Example 1, except that 21.3 g (0.11 mol) of 9-phenanthrenol was used instead of 15.8 g (0.11 mol) of 1-naphtol. 18.9 g of a polymer including a repeating unit represented by Chemical Formula 1f was obtained (yield: 48%, Mw = 2,150, PD = 2.83).
[제조예 7] 화학식 1g로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자의 제조
Preparation Example 7 Preparation of Polymer Containing Repeating Unit Represented by Chemical Formula 1g
상기 1-나프톨(1-naphtol) 15.8g(0.11mol) 대신에, 1,8,9-트리하이드록시 나프탈렌(1,8,9-trihydroxynaphthalene) 24.8g(0.11mol)을 사용한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 상기 화학식 1g로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자 26.2g을 얻었다(수율: 61%, Mw=4,650, PD=4.54).Instead of 15.8 g (0.11 mol) of 1-naphtol, except that 24.8 g (0.11 mol) of 1,8,9-trihydroxynaphthalene was used. In the same manner as in Preparation Example 1, 26.2g of a polymer including a repeating unit represented by Chemical Formula 1g was obtained (yield: 61%, Mw = 4,650, PD = 4.54).
[제조예 8] 화학식 1h로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자의 제조
Preparation Example 8 Preparation of Polymer Containing Repeating Unit Represented by Chemical Formula 1h
상기 1-나프톨(1-naphtol) 15.8g(0.11mol) 대신에, 1-파이레놀(1-pyrenol) 25.6g(0.11mol)을 사용한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 상기 화학식 1h로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자 16.8g을 얻었다(수율: 38%, Mw=1,610, PD=2.18).Instead of 15.8 g (0.11 mol) of 1-naphtol, 25.6 g (0.11 mol) of 1-pyrenol was used, except that 15.6 g (0.11 mol) of 1-naphtol was used. 16.8 g of a polymer including a repeating unit represented by 1 h was obtained (yield: 38%, Mw = 1,610, PD = 2.18).
[제조예 9] 화학식 1i로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자의 제조
Preparation Example 9 Preparation of Polymer Containing Repeating Unit Represented by Chemical Formula 1i
상기 1-나프톨(1-naphtol) 15.8g(0.11mol) 대신에, 1,1'-비-2-나프탈레놀 (1,1'-bi-2-naphthalenol) 31.4g(0.11mol)을 사용한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 상기 화학식 1i로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자 27.2g을 얻었다(수율: 55%, Mw=2,480, PD=2.86).Instead of 15.8 g (0.11 mol) of 1-naphtol, 31.4 g (0.11 mol) of 1,1'-bi-2-naphthalenol was used. Except that, 27.2 g of a polymer including a repeating unit represented by Chemical Formula 1i was obtained by the same method as in Preparation Example 1 (yield: 55%, Mw = 2,480, PD = 2.86).
[제조예 10] 화학식 1j로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자의 제조
Preparation Example 10 Preparation of Polymer Containing Repeating Unit Represented by Chemical Formula 1j
상기 9-플루오레논(9-fluorenone) 18.0g(0.1mol) 대신에, 벤조[b]플루오렌-11-온(benzo[b]fluoren-11-one) 23.0g(0.1mol)을 사용하고, 상기 1-나프톨(1-naphtol) 15.8g(0.11mol) 대신에, 1,6-디하이드록시나프탈렌 (1,6-dihydroxynaphthalene) 17.6g(0.11mol)을 사용한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 상기 화학식 1j로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자 21.5g을 얻었다(수율: 53%, Mw=2,650, PD=3.42).Instead of 18.0 g (0.1 mol) of 9-fluorenone, 23.0 g (0.1 mol) of benzo [b] fluoren-11-one is used, Production Example 1, except that 17.6 g (0.11 mol) of 1,6-dihydroxynaphthalene was used instead of 15.8 g (0.11 mol) of 1-naphtol. 21.5 g of a polymer including a repeating unit represented by Chemical Formula 1j was obtained in the same manner as in (Yield: 53%, Mw = 2,650, PD = 3.42).
[제조예 11] 화학식 1k로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자의 제조
Preparation Example 11 Preparation of Polymer Containing Repeating Unit Represented by Chemical Formula 1k
상기 9-플루오레논(9-fluorenone) 18.0g(0.1mol) 대신에, 디벤조[b,h]플루오렌-12-온(dibenzo[b,h]fluoren-11-one) 28.0g(0.1mol)을 사용하고, 상기 1-나프톨(1-naphtol) 15.8g(0.11mol) 대신에, 1,6-디하이드록시나프탈렌 (1,6-dihydroxynaphthalene) 17.6g(0.11mol)을 사용한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 상기 화학식 1k로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자 23.7g을 얻었다(수율: 52%, Mw=1,810, PD=4.88).Instead of 18.0 g (0.1 mol) of 9-fluorenone, 28.0 g (0.1 mol) of dibenzo [b, h] fluoren-12-one ) And 17.6 g (0.11 mol) of 1,6-dihydroxynaphthalene instead of 15.8 g (0.11 mol) of 1-naphtol. In the same manner as in Preparation Example 1, 23.7 g of a polymer including a repeating unit represented by Chemical Formula 1k was obtained (yield: 52%, Mw = 1,810, PD = 4.88).
[제조예 12] 화학식 1l로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자의 제조
Preparation Example 12 Preparation of Polymer Containing Repeating Unit Represented by Chemical Formula 1l
상기 9-플루오레논(9-fluorenone) 18.0g(0.1mol) 대신에, 10H-안트라센-9-온 (10H-anthracen-9-one) 19.4g(0.1mol)을 사용하고, 상기 1-나프톨(1-naphtol) 15.8g(0.11mol) 대신에, 1,6-디하이드록시나프탈렌(1,6-dihydroxynaphthalene) 17.6g(0.11mol)을 사용한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 상기 화학식 1l로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자 23.0g을 얻었다(수율: 62%, Mw=3,860, PD=2.65).Instead of 18.0 g (0.1 mol) of 9-fluorenone, 19.4 g (0.1 mol) of 10H-anthracen-9-one was used, and the 1-naphthol ( Instead of 15.8 g (0.11 mol) of 1-naphtol), 17.6 g (0.11 mol) of 1,6-dihydroxynaphthalene was used, except that 17.6 g (0.11 mol) of 1-naphtol was used. 23.0 g of a polymer including a repeating unit represented by Chemical Formula 1l was obtained (yield: 62%, Mw = 3,860, PD = 2.65).
[제조예 13] 화학식 1m으로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자의 제조
Preparation Example 13 Preparation of Polymer Containing Repeating Unit Represented by Chemical Formula 1m
상기 9-플루오레논(9-fluorenone) 18.0g(0.1mol) 대신에, 13H-펜타센-6-온 (13H-pentacen-6-one) 29.4g(0.1mol)을 사용하고, 상기 1-나프톨(1-naphtol) 15.8g(0.11mol) 대신에, 1,6-디하이드록시나프탈렌(1,6-dihydroxynaphthalene) 17.6g(0.11mol)을 사용한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 상기 화학식 1m으로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자 19.8g을 얻었다(수율: 42%, Mw=2,940, PD=2.91).Instead of 18.0 g (0.1 mol) of 9-fluorenone, 29.4 g (0.1 mol) of 13H-pentacen-6-one was used and the 1-naphthol was used. In the same manner as in Preparation Example 1, except that 17.6 g (0.11 mol) of 1,6-dihydroxynaphthalene was used instead of 15.8 g (0.11 mol) of (1-naphtol). 19.8 g of a polymer including a repeating unit represented by Chemical Formula 1m was obtained (yield: 42%, Mw = 2,940, PD = 2.91).
[제조예 14] 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자의 제조
Preparation Example 14 Preparation of Polymer Containing Repeating Unit Represented by Formula (5)
질소가 환류된 250 ml의 플라스크에 비스페놀 플루오렌(bisphenol fluorine) 100g을 넣고, 37% 포름알데하이드(formaldehyde) 수용액 35ml와 무수 옥살릭에시드(oxalic acid) 3g을 넣은 후, 반응기(플라스크)의 온도를 100℃로 올려주고 20시간 동안 반응을 진행하였다. 반응 종료 후, 메틸이소부틸케톤(methyl isobutyl ketone: MIBK) 300ml를 이용하여 생성물을 모두 녹이고, 탈이온수로 세척하여 산 촉매(옥살릭에시드)를 제거하였다. 산 촉매 제거 후, 메틸이소부틸케톤을 감압하여 제거하고, 생성물을 건조시켜 하기 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자 62g을 얻었다. 폴리스타이렌을 기준 물질로 한 겔투과크로마토그래피(Gel permeation chromatography: GPC)를 사용하여 합성된 고분자의 중량평균분자량(Mw) 및 다분산도(PD: Polydispersity)를 측정하였다(Mw=7,410, PD=4.53). Into a 250 ml flask with nitrogen reflux, 100 g of bisphenol fluorine was added, 35 ml of 37% aqueous formaldehyde solution and 3 g of anhydrous oxalic acid were added, and then the temperature of the reactor (flask) was adjusted. Raised to 100 ℃ proceeded for 20 hours. After completion of the reaction, all products were dissolved using 300 ml of methyl isobutyl ketone (MIBK) and washed with deionized water to remove the acid catalyst (oxalic acid). After the acid catalyst was removed, methyl isobutyl ketone was removed under reduced pressure, and the product was dried to obtain 62 g of a polymer including a repeating unit represented by the following Formula (5). The weight average molecular weight (Mw) and polydispersity (PD) of the synthesized polymer were measured using gel permeation chromatography (GPC) based on polystyrene (Mw = 7,410, PD = 4.53). ).
[화학식 5][Formula 5]
[실험예 1-1 ~ 1-13 및 참조예 1-1 ~ 1-2] 고분자의 열적 안정성 측정
[Experimental Examples 1-1 to 1-13 and Reference Examples 1-1 to 1-2] Measurement of Thermal Stability of Polymers
상기 제조예 1 내지 13에서 제조된 방향족 고리 함유 고분자 및 상기 제조예 14에서 제조된 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자 및 통상적인 노볼락 수지, 예를 들어, 하기 화학식 6으로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자(여기서, m은 0 내지 3의 정수, Mw=7,410, PD=4.53, meta/para 반응률(m:p = 6:4))의 열적 안정성을 측정하기 위하여, 열중량분석기(thermo gravimetric analyzer: TGA, 제조사: TA)로 400 ℃에서의 질량 손실량(중량%)을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.A polymer containing the aromatic ring-containing polymer prepared in Preparation Examples 1 to 13 and the repeating unit represented by Formula 5 prepared in Preparation Example 14 and a conventional novolak resin, for example, a repeat represented by Formula 6 below. In order to measure the thermal stability of a polymer comprising units (where m is an integer from 0 to 3, Mw = 7,410, PD = 4.53, meta / para reaction rate (m: p = 6: 4)), a thermogravimetric analyzer ( The mass loss amount (% by weight) at 400 ° C. was measured by a thermo gravimetric analyzer (TGA, manufacturer: TA). The results are shown in Table 1 below.
[화학식 6][Formula 6]
표 1 | 고분자 | 가열 온도(℃) | 질량손실량(wt%) |
실험예 1-1 | 화학식 1a | 400 | 4.1 |
실험예 1-2 | 화학식 1b | 400 | 4.8 |
실험예 1-3 | 화학식 1c | 400 | 4.5 |
실험예 1-4 | 화학식 1d | 400 | 3.8 |
실험예 1-5 | 화학식 1e | 400 | 3.6 |
실험예 1-6 | 화학식 1f | 400 | 4.2 |
실험예 1-7 | 화학식 1g | 400 | 4.6 |
실험예 1-8 | 화학식 1h | 400 | 3.9 |
실험예 1-9 | 화학식 1i | 400 | 3.1 |
실험예 1-10 | 화학식 1j | 400 | 2.4 |
실험예 1-11 | 화학식 1k | 400 | 2.6 |
실험예 1-12 | 화학식 1l | 400 | 3.8 |
실험예 1-13 | 화학식 1m | 400 | 2.8 |
참조예 1-1 | 화학식 5 | 400 | 19.8 |
참조예 1-2 | 화학식 6 | 400 | 71.2 |
Table 1 | Polymer | Heating temperature (℃) | Mass loss (wt%) |
Experimental Example 1-1 | Formula 1a | 400 | 4.1 |
Experimental Example 1-2 | Formula 1b | 400 | 4.8 |
Experimental Example 1-3 | Formula 1c | 400 | 4.5 |
Experimental Example 1-4 | Formula 1d | 400 | 3.8 |
Experimental Example 1-5 | Formula 1e | 400 | 3.6 |
Experimental Example 1-6 | Formula 1f | 400 | 4.2 |
Experimental Example 1-7 | Formula 1g | 400 | 4.6 |
Experimental Example 1-8 | Formula 1h | 400 | 3.9 |
Experimental Example 1-9 | Formula 1i | 400 | 3.1 |
Experimental Example 1-10 | Formula 1j | 400 | 2.4 |
Experimental Example 1-11 | Chemical Formula 1k | 400 | 2.6 |
Experimental Example 1-12 | Formula 1l | 400 | 3.8 |
Experimental Example 1-13 | Formula 1m | 400 | 2.8 |
Reference Example 1-1 | Formula 5 | 400 | 19.8 |
Reference Example 1-2 | Formula 6 | 400 | 71.2 |
[실시예 1-1 ~ 1-9 및 비교예 1-1 ~ 1-17] 레지스트 하층막 조성물의 제조
[Examples 1-1 to 1-9 and Comparative Examples 1-1 to 1-17] Preparation of resist underlayer film composition
레지스트 하층막 조성물을 제조하기 위하여, 제조예 1 내지 14에서 합성된 고분자(화학식 1a ~ 1m 및 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자), 화학식 6로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자, 화학식 4로 표시되는 화합물(평탄화제, 일본 메이와사의 MER-시리즈) 및 가교제 (테트라메톡시메틸 글리콜우릴 (tetramethoxymethyl glycoluril), 상품명: MX-270)를 하기 표 2에 나타낸 성분 및 함량으로 사용하였다. 또한, 각각의 조성물에, 촉매로서 피리디늄파라톨루엔술포네이트 (pyridinium para-toluenesulfonate) 0.1g 및 계면활성제(제조사: DIC Corporation, 제품명: R-08) 0.04 g을 혼합하고, 각 성분을 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트 (propyleneglycol monomethylether acetate: PGMEA) 60 g과 사이클로헥산온(cyclohexanone: CH) 29 g의 혼합 용매에 용해시킨 다음, 구경 0.45 ㎛의 마이크로필터로 여과하여, 다층막 레지스트 구성에 의한 리소그래피 프로세스에 사용되는 레지스트 하층막 조성물을 제조하였다.In order to prepare a resist underlayer film composition, a polymer synthesized in Preparation Examples 1 to 14 (a polymer including a repeating unit represented by Formula 1a to 1m and Formula 5), a polymer including a repeating unit represented by Formula 6, A compound represented by 4 (a leveling agent, MER-series from Meiwa, Japan) and a crosslinking agent (tetramethoxymethyl glycoluril, trade name: MX-270) were used as components and contents shown in Table 2 below. In each composition, 0.1 g of pyridinium para-toluenesulfonate and 0.04 g of a surfactant (manufacturer: DIC Corporation, product name: R-08) were mixed as a catalyst, and each component was propylene glycol mono. Dissolved in a mixed solvent of 60 g of propyleneglycol monomethylether acetate (PGMEA) and 29 g of cyclohexanone (CH), and then filtered through a microfilter having a diameter of 0.45 µm for use in a lithography process with a multilayer film resist composition. A resist underlayer film composition was prepared.
표 2 구분 | 고분자 수지 | 평탄화제 | 가교제 |
고분자 | 사용량 | 첨가제 | 사용량 |
비교예 1-3 | 화학식 1a | 10g | - | - | MX-270 / 1g |
비교예 1-4 | 화학식 1b | 10g | - | - | MX-270 / 1g |
비교예 1-5 | 화학식 1c | 10g | - | - | MX-270 / 1g |
비교예 1-6 | 화학식 1d | 10g | - | - | MX-270 / 1g |
비교예 1-7 | 화학식 1e | 10g | - | - | MX-270 / 1g |
비교예 1-8 | 화학식 1f | 10g | - | - | MX-270 / 1g |
비교예 1-9 | 화학식 1g | 10g | - | - | MX-270 / 1g |
비교예 1-10 | 화학식 1h | 10g | - | - | MX-270 / 1g |
비교예 1-11 | 화학식 1i | 10g | - | - | MX-270 / 1g |
비교예 1-12 | 화학식 1j | 10g | - | - | MX-270 / 1g |
비교예 1-13 | 화학식 1k | 10g | - | - | MX-270 / 1g |
비교예 1-14 | 화학식 1l | 10g | - | - | MX-270 / 1g |
비교예 1-15 | 화학식 1m | 10g | - | - | MX-270 / 1g |
비교예 1-16 | 화학식 1a | 10g | - | - | - |
비교예 1-17 | 화학식 1h | 10g | - | - | - |
실시예 1-1 | 화학식 1a | 6.5g | MER-7940S | 3.5g | |
실시예 1-2 | 화학식 1a | 6.5g | MER-7940F | 3.5g | - |
실시예 1-3 | 화학식 1a | 6.5g | MER-7950S | 3.5g | - |
실시예 1-4 | 화학식 1a | 6.5g | MER-7959S | 3.5g | - |
실시예 1-5 | 화학식 1a | 6.5g | MER-7966 | 3.5g | - |
실시예 1-6 | 화학식 1a | 6.5g | MER-7968 | 3.5g | - |
실시예 1-7 | 화학식 1a | 6.5g | MER-7981S | 3.5g | - |
실시예 1-8 | 화학식 1a | 5.0g | MER-7966 | 5.0g | - |
실시예 1-9 | 화학식 1a | 3.5g | MER-7966 | 6.5g | - |
비교예 1-1 | 화학식 5 | 10g | - | - | MX-270 / 1g |
비교예 1-2 | 화학식 6 | 10g | - | - | MX-270 / 1g |
TABLE 2 division | Polymer resin | Leveling agent | Crosslinking agent |
Polymer | usage | additive | usage |
Comparative Example 1-3 | Formula 1a | 10 g | - | - | MX-270 / 1g |
Comparative Example 1-4 | Formula 1b | 10 g | - | - | MX-270 / 1g |
Comparative Example 1-5 | Formula 1c | 10 g | - | - | MX-270 / 1g |
Comparative Example 1-6 | Formula 1d | 10 g | - | - | MX-270 / 1g |
Comparative Example 1-7 | Formula 1e | 10 g | - | - | MX-270 / 1g |
Comparative Example 1-8 | Formula 1f | 10 g | - | - | MX-270 / 1g |
Comparative Example 1-9 | Formula 1g | 10 g | - | - | MX-270 / 1g |
Comparative Example 1-10 | Formula 1h | 10 g | - | - | MX-270 / 1g |
Comparative Example 1-11 | Formula 1i | 10 g | - | - | MX-270 / 1g |
Comparative Example 1-12 | Formula 1j | 10 g | - | - | MX-270 / 1g |
Comparative Example 1-13 | Chemical Formula 1k | 10 g | - | - | MX-270 / 1g |
Comparative Example 1-14 | Formula 1l | 10 g | - | - | MX-270 / 1g |
Comparative Example 1-15 | Formula 1m | 10 g | - | - | MX-270 / 1g |
Comparative Example 1-16 | Formula 1a | 10 g | - | - | - |
Comparative Example 1-17 | Formula 1h | 10 g | - | - | - |
Example 1-1 | Formula 1a | 6.5g | MER-7940S | 3.5 g | |
Example 1-2 | Formula 1a | 6.5g | MER-7940F | 3.5 g | - |
Example 1-3 | Formula 1a | 6.5g | MER-7950S | 3.5 g | - |
Example 1-4 | Formula 1a | 6.5g | MER-7959S | 3.5 g | - |
Example 1-5 | Formula 1a | 6.5g | MER-7966 | 3.5 g | - |
Example 1-6 | Formula 1a | 6.5g | MER-7968 | 3.5 g | - |
Example 1-7 | Formula 1a | 6.5g | MER-7981S | 3.5 g | - |
Example 1-8 | Formula 1a | 5.0 g | MER-7966 | 5.0 g | - |
Example 1-9 | Formula 1a | 3.5 g | MER-7966 | 6.5g | - |
Comparative Example 1-1 | Formula 5 | 10 g | - | - | MX-270 / 1g |
Comparative Example 1-2 | Formula 6 | 10 g | - | - | MX-270 / 1g |
[실시예 2-1 내지 2-9 및 비교예 2-1 내지 2-17] 레지스트 하층막의 제조 및 광학 특성 평가
[Examples 2-1 to 2-9 and Comparative Examples 2-1 to 2-17] Preparation and Evaluation of Optical Properties of Resist Underlayer Film
상기 실시예 1-1 내지 1-9 및 비교예 1-1 내지 1-17에서 제조된 각각의 레지스트 하층막 조성물을 스핀코터를 이용하여 각각 실리콘 웨이퍼 상에 도포한 후, 핫플레이트를 사용하여 240℃에서 1분간 가열하여, 200 nm 두께의 레지스트 하층막을 제조하였다. 제조된 레지스트 하층막의 파장 248 nm 및 파장 193 nm에서의 굴절율(n값) 및 광학흡광계수(k값)를 분광엘립소미터(제조사: 울람)를 사용하여 측정하고, 그 결과를 표 3에 나타내었다. 또한, 상기 웨이퍼를 에틸 락테이트(ethyl lactate: EL), 프로필렌글리콜모노메틸에테르(propylene glycol monomethylether: PGME), 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트(propylene glycol monomethylether acetate: PGMEA) 및 사이클로헥산온(cyclohexanone: CH)에 각각 1분간 침지하고, 침지된 웨이퍼의 두께를 측정한 결과, 모든 레지스트 하층막은 일반적인 반도체용 용제에 녹지 않아 두께 변화를 보이지 않았다.Each of the resist underlayer film compositions prepared in Examples 1-1 to 1-9 and Comparative Examples 1-1 to 1-17 was applied onto a silicon wafer using a spin coater, respectively, and then 240 using a hot plate. It heated at 1 degreeC for 1 minute, and produced the resist underlayer film of 200 nm thickness. The refractive index (n value) and optical absorption coefficient (k value) at wavelength 248 nm and wavelength 193 nm of the prepared resist underlayer film were measured using a spectroscopic ellipsometer (manufacturer: Ulam), and the results are shown in Table 3. It was. In addition, the wafer is ethyl lactate (EL), propylene glycol monomethylether (PGME), propylene glycol monomethylether acetate (PGMEA) and cyclohexanone (CH) ) Was immersed for 1 minute, and the thickness of the immersed wafer was measured. As a result, all the resist underlayer films did not dissolve in the general semiconductor solvent and showed no change in thickness.
표 3 구분 | 굴절률 n(at 248 nm) | 광학흡광계수 K(at 248 nm) | 굴절률n (at 193 nm) | 광학흡광계수 K(at 193 nm) |
비교예 2-3 | 1.80 | 0.76 | 1.40 | 0.53 |
비교예 2-4 | 1.86 | 0.78 | 1.41 | 0.49 |
비교예 2-5 | 1.91 | 0.78 | 1.44 | 0.51 |
비교예 2-6 | 1.89 | 0.76 | 1.38 | 0.53 |
비교예 2-7 | 1.95 | 0.72 | 1.41 | 0.42 |
비교예 2-8 | 1.88 | 0.79 | 1.44 | 0.40 |
비교예 2-9 | 1.97 | 0.73 | 1.39 | 0.44 |
비교예 2-10 | 1.98 | 0.81 | 1.35 | 0.37 |
비교예 2-11 | 1.91 | 0.81 | 1.39 | 0.52 |
비교예 2-12 | 1.94 | 0.76 | 1.41 | 0.54 |
비교예 2-13 | 1.97 | 0.78 | 1.41 | 0.53 |
비교예 2-14 | 1.86 | 0.77 | 1.45 | 0.60 |
비교예 2-15 | 1.97 | 0.72 | 1.39 | 0.51 |
비교예 2-16 | 1.78 | 0.78 | 1.38 | 0.51 |
비교예 2-17 | 1.95 | 0.79 | 1.36 | 0.40 |
실시예 2-1 | 1.78 | 0.73 | 1.44 | 0.56 |
실시예 2-2 | 1.80 | 0.78 | 1.36 | 0.54 |
실시예 2-3 | 1.81 | 0.81 | 1.42 | 0.54 |
실시예 2-4 | 1.75 | 0.78 | 1.42 | 0.55 |
실시예 2-5 | 1.84 | 0.78 | 1.40 | 0.51 |
실시예 2-6 | 1.79 | 0.75 | 1.44 | 0.61 |
실시예 2-7 | 1.79 | 0.79 | 1.39 | 0.58 |
실시예 2-8 | 1.84 | 0.82 | 1.45 | 0.54 |
실시예 2-9 | 1.80 | 0.82 | 1.41 | 0.55 |
비교예 2-1 | 1.96 | 0.82 | 1.54 | 0.70 |
비교예 2-2 | 1.98 | 0.87 | 1.62 | 0.81 |
TABLE 3 division | Refractive index n (at 248 nm) | Optical absorption coefficient K (at 248 nm) | Refractive index n (at 193 nm) | Optical Absorption Coefficient K (at 193 nm) |
Comparative Example 2-3 | 1.80 | 0.76 | 1.40 | 0.53 |
Comparative Example 2-4 | 1.86 | 0.78 | 1.41 | 0.49 |
Comparative Example 2-5 | 1.91 | 0.78 | 1.44 | 0.51 |
Comparative Example 2-6 | 1.89 | 0.76 | 1.38 | 0.53 |
Comparative Example 2-7 | 1.95 | 0.72 | 1.41 | 0.42 |
Comparative Example 2-8 | 1.88 | 0.79 | 1.44 | 0.40 |
Comparative Example 2-9 | 1.97 | 0.73 | 1.39 | 0.44 |
Comparative Example 2-10 | 1.98 | 0.81 | 1.35 | 0.37 |
Comparative Example 2-11 | 1.91 | 0.81 | 1.39 | 0.52 |
Comparative Example 2-12 | 1.94 | 0.76 | 1.41 | 0.54 |
Comparative Example 2-13 | 1.97 | 0.78 | 1.41 | 0.53 |
Comparative Example 2-14 | 1.86 | 0.77 | 1.45 | 0.60 |
Comparative Example 2-15 | 1.97 | 0.72 | 1.39 | 0.51 |
Comparative Example 2-16 | 1.78 | 0.78 | 1.38 | 0.51 |
Comparative Example 2-17 | 1.95 | 0.79 | 1.36 | 0.40 |
Example 2-1 | 1.78 | 0.73 | 1.44 | 0.56 |
Example 2-2 | 1.80 | 0.78 | 1.36 | 0.54 |
Example 2-3 | 1.81 | 0.81 | 1.42 | 0.54 |
Example 2-4 | 1.75 | 0.78 | 1.42 | 0.55 |
Example 2-5 | 1.84 | 0.78 | 1.40 | 0.51 |
Example 2-6 | 1.79 | 0.75 | 1.44 | 0.61 |
Example 2-7 | 1.79 | 0.79 | 1.39 | 0.58 |
Example 2-8 | 1.84 | 0.82 | 1.45 | 0.54 |
Example 2-9 | 1.80 | 0.82 | 1.41 | 0.55 |
Comparative Example 2-1 | 1.96 | 0.82 | 1.54 | 0.70 |
Comparative Example 2-2 | 1.98 | 0.87 | 1.62 | 0.81 |
[실시예 3-1 ~ 3-9 및 비교예 3-1 ~ 3-17] 레지스트 하층막의 제조 및 에칭 속도 평가
[Examples 3-1 to 3-9 and Comparative Examples 3-1 to 3-17] Preparation of the resist underlayer film and evaluation of the etching rate
레지스트 하층막의 드라이 에칭 속도(CF4/CHF3계 가스를 이용한 에칭 속도)를 측정하기 위하여, 상기 실시예 1-1 내지 1-9 및 비교예 1-1 내지 1-17에서 제조된 각각의 레지스트 하층막 조성물을 300 nm 두께로 실리콘 웨이퍼 상에 도포한 후, 각각의 하층막을 각각 240 ℃ 및 400 ℃의 온도에서 1분간 가열하여 레지스트 하층막을 형성하였다. 레지스트 하층막이 형성된 웨이퍼를 에칭 장치(제품명: TCP9400SE, 제조사: 램리서치)를 이용하여 CF4/CHF3 가스조건에서 에칭하였다. 레지스트 하층막의 에칭 전후 두께의 차이를 이용하여 에칭 속도(Å/sec)를 측정하고, 그 결과를 표 4에 나타내었다.In order to measure the dry etching rate (etch rate using CF 4 / CHF 3 -based gas) of the resist underlayer film, each of the resists prepared in Examples 1-1 to 1-9 and Comparative Examples 1-1 to 1-17 After applying the underlayer film composition on the silicon wafer to a thickness of 300 nm, each underlayer film was heated at a temperature of 240 ° C. and 400 ° C. for 1 minute to form a resist underlayer film. The wafer on which the resist underlayer film was formed was etched under CF 4 / CHF 3 gas conditions using an etching apparatus (product name: TCP9400SE, manufacturer: Lam Research). The etching rate (kV / sec) was measured using the difference in thickness before and after etching of the resist underlayer film, and the result is shown in Table 4.
표 4 구분 | bake 온도(도, ℃) | 에칭 속도 (Å/sec) | bake 온도(도, ℃) | 에칭 속도(Å/sec) |
비교예 3-3 | 240 | 88 | 400 | 85 |
비교예 3-4 | 240 | 78 | 400 | 77 |
비교예 3-5 | 240 | 86 | 400 | 89 |
비교예 3-6 | 240 | 81 | 400 | 80 |
비교예 3-7 | 240 | 80 | 400 | 80 |
비교예 3-8 | 240 | 78 | 400 | 76 |
비교예 3-9 | 240 | 76 | 400 | 74 |
비교예 3-10 | 240 | 87 | 400 | 82 |
비교예 3-11 | 240 | 74 | 400 | 76 |
비교예 3-12 | 240 | 84 | 400 | 84 |
비교예 3-13 | 240 | 75 | 400 | 76 |
비교예 3-14 | 240 | 91 | 400 | 82 |
비교예 3-15 | 240 | 86 | 400 | 88 |
비교예 3-16 | 240 | 77 | 400 | 76 |
비교예 3-17 | 240 | 79 | 400 | 74 |
실시예 3-1 | 240 | 92 | 400 | 87 |
실시예 3-2 | 240 | 89 | 400 | 86 |
실시예 3-3 | 240 | 94 | 400 | 89 |
실시예 3-4 | 240 | 92 | 400 | 88 |
실시예 3-5 | 240 | 90 | 400 | 87 |
실시예 3-6 | 240 | 91 | 400 | 85 |
실시예 3-7 | 240 | 85 | 400 | 83 |
실시예 3-8 | 240 | 86 | 400 | 82 |
실시예 3-9 | 240 | 88 | 400 | 82 |
비교예 3-1 | 240 | 112 | 400 | 106 |
비교예 3-2 | 240 | 123 | 400 | - |
Table 4 division | bake temperature (degrees, ℃) | Etch Rate (µs / sec) | bake temperature (degrees, ℃) | Etch Rate (µs / sec) |
Comparative Example 3-3 | 240 | 88 | 400 | 85 |
Comparative Example 3-4 | 240 | 78 | 400 | 77 |
Comparative Example 3-5 | 240 | 86 | 400 | 89 |
Comparative Example 3-6 | 240 | 81 | 400 | 80 |
Comparative Example 3-7 | 240 | 80 | 400 | 80 |
Comparative Example 3-8 | 240 | 78 | 400 | 76 |
Comparative Example 3-9 | 240 | 76 | 400 | 74 |
Comparative Example 3-10 | 240 | 87 | 400 | 82 |
Comparative Example 3-11 | 240 | 74 | 400 | 76 |
Comparative Example 3-12 | 240 | 84 | 400 | 84 |
Comparative Example 3-13 | 240 | 75 | 400 | 76 |
Comparative Example 3-14 | 240 | 91 | 400 | 82 |
Comparative Example 3-15 | 240 | 86 | 400 | 88 |
Comparative Example 3-16 | 240 | 77 | 400 | 76 |
Comparative Example 3-17 | 240 | 79 | 400 | 74 |
Example 3-1 | 240 | 92 | 400 | 87 |
Example 3-2 | 240 | 89 | 400 | 86 |
Example 3-3 | 240 | 94 | 400 | 89 |
Example 3-4 | 240 | 92 | 400 | 88 |
Example 3-5 | 240 | 90 | 400 | 87 |
Example 3-6 | 240 | 91 | 400 | 85 |
Example 3-7 | 240 | 85 | 400 | 83 |
Example 3-8 | 240 | 86 | 400 | 82 |
Example 3-9 | 240 | 88 | 400 | 82 |
Comparative Example 3-1 | 240 | 112 | 400 | 106 |
Comparative Example 3-2 | 240 | 123 | 400 | - |
[실시예 4-1 ~ 4-9 및 비교예 4-1 ~ 4-17] 레지스트 하층막의 제조 및 갭필 특성 평가
[Examples 4-1 to 4-9 and Comparative Examples 4-1 to 4-17] Preparation of resist underlayer film and evaluation of gap fill characteristics
라인(line)과 스패이스(space)의 선폭이 각각 150 nm 및 60 nm이고, 높이가 220 nm인 패턴이 형성된 웨이퍼 상에, 상기 실시예 1-1 내지 1-9 및 비교예 1-1 내지 1-17에서 제조된 각각의 레지스트 하층막 조성물을, 스핀코터를 이용하여, 250 nm의 두께로 도포한 후, 핫플레이트를 사용하여 400 ℃에서 1분간 가열하여 레지스트 하층막을 형성하였다. 형성된 레지스트 하층막의 단면을 FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope, 히타치사 제품, 제품명: S-4300) 장비로 관찰하여, 스핀 코팅으로 형성된 레지스트 하층막의 두께가 높은 부분(라인 부분)과 낮은 부분(스패이스 부분)의 차이가 3 nm 미만일 경우 "매우 양호", 3 내지 10 nm 일 경우 "양호", 10 nm를 초과할 경우 "불량"으로 판정하였으며, 그 결과를 표 5에 나타내었다. 또한, 비교예 4-1에서 형성된 레지스트 하층막과 실시예 4-10에서 형성된 레지스트 하층막의 FE-SEM 단면 사진을 도 1 및 2에 각각 나타내었다. 도 1에 도시된 바와 같이, 비교예 4-1에서 형성된 레지스트 하층막은 평탄성이 저하된다.Examples 1-1 to 1-9 and Comparative Examples 1-1 to 1 on a wafer having a line width of 150 nm and 60 nm and a pattern having a height of 220 nm, respectively. Each resist underlayer film composition prepared at −17 was applied to a thickness of 250 nm using a spin coater, and then heated at 400 ° C. for 1 minute using a hot plate to form a resist underlayer film. The cross section of the formed resist underlayer film was observed with a FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope, Hitachi, product name: S-4300) equipment. When the difference of the space part) is less than 3 nm, it was determined as "very good", "good" when 3 to 10 nm, and "bad" when it exceeds 10 nm, and the results are shown in Table 5. In addition, FE-SEM cross-sectional photographs of the resist underlayer film formed in Comparative Example 4-1 and the resist underlayer film formed in Example 4-10 are shown in FIGS. 1 and 2, respectively. As shown in Fig. 1, the resist underlayer film formed in Comparative Example 4-1 is degraded in flatness.
표 5 구분 | Gap fill 특성 |
비교예 4-3 | 불량 |
비교예 4-4 | 불량 |
비교예 4-5 | 양호 |
비교예 4-6 | 불량 |
비교예 4-7 | 양호 |
비교예 4-8 | 불량 |
비교예 4-9 | 불량 |
비교예 4-10 | 불량 |
비교예 4-11 | 양호 |
비교예 4-12 | 양호 |
비교예 4-13 | 불량 |
비교예 4-14 | 양호 |
비교예 4-15 | 양호 |
비교예 4-16 | 불량 |
비교예 4-17 | 양호 |
실시예 4-1 | 매우 양호 |
실시예 4-2 | 매우 양호 |
실시예 4-3 | 매우 양호 |
실시예 4-4 | 매우 양호 |
실시예 4-5 | 매우 양호 |
실시예 4-6 | 매우 양호 |
실시예 4-7 | 매우 양호 |
실시예 4-8 | 매우 양호 |
실시예 4-9 | 매우 양호 |
비교예 4-1 | 불량 |
비교예 4-2 | 불량 |
Table 5 division | Gap fill attribute |
Comparative Example 4-3 | Bad |
Comparative Example 4-4 | Bad |
Comparative Example 4-5 | Good |
Comparative Example 4-6 | Bad |
Comparative Example 4-7 | Good |
Comparative Example 4-8 | Bad |
Comparative Example 4-9 | Bad |
Comparative Example 4-10 | Bad |
Comparative Example 4-11 | Good |
Comparative Example 4-12 | Good |
Comparative Example 4-13 | Bad |
Comparative Example 4-14 | Good |
Comparative Example 4-15 | Good |
Comparative Example 4-16 | Bad |
Comparative Example 4-17 | Good |
Example 4-1 | Very good |
Example 4-2 | Very good |
Example 4-3 | Very good |
Example 4-4 | Very good |
Example 4-5 | Very good |
Example 4-6 | Very good |
Example 4-7 | Very good |
Example 4-8 | Very good |
Example 4-9 | Very good |
Comparative Example 4-1 | Bad |
Comparative Example 4-2 | Bad |
본 발명은 레지스트 하층막에 사용되는 고분자에 관한 것으로서 기존 레지스트 하층막용 고분자의 열적 안정성, 갭필 특성, 광학적 특성 및 하드마스크 역할을 위한 에칭 저항성을 개선한 것이다. 일반적인 레지스트 하층막의 경우, 250 ℃ 이하에서는 열적 안정성을 가지나, 400 ℃ 이상의 고온에서는 레지스트 하층막이 요구하는 열적 안정성을 충족하지 못하였다. 그러나, 본 발명은, 방향족 고리의 탄소와 탄소간 결합을 이용한 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자를 사용함으로써, 400℃ 이상의 고온 열적 안정성을 개선하였을 뿐만 아니라, 첨가제로서 상기 화학식 2로 표시되는 노블락 수지 또는 스타이렌 유도체 수지를 사용함으로써, 하층막 조성물의 스핀 코팅 시 갭필 특성 및 레지스트 하층막의 평탄화율을 향상시켰다. The present invention relates to a polymer used in a resist underlayer film, and improves the thermal stability, gap fill property, optical property, and etching resistance for a hard mask role of a conventional resist underlayer film. In general, the resist underlayer film has thermal stability at 250 ° C. or lower, but does not satisfy the thermal stability required by the resist underlayer film at a high temperature of 400 ° C. or higher. However, the present invention, by using a polymer containing a repeating unit represented by the formula (1) using the carbon and carbon-to-carbon bond of the aromatic ring, not only improved the high temperature thermal stability of 400 ℃ or more, but also as formula (2) as an additive By using the displayed noblock resin or styrene derivative resin, the gap fill property and the planarization rate of the resist underlayer film during spin coating of the underlayer film composition were improved.